หน่วยการเรียนรู้ที่ 4 เรื่อง พลังงาน ( Energy )

1. หน่วยการเรียนรู้ที่ 4เรื่อง พลังงาน (Energy) วิทยาศาสตร์ (ว 40216) ฟิสิกส์ ม.6

2. พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) • 1. พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) • 2. กัมมันตภาพรังสี (radioactivity)

3. ผลการเรียนรู้ • 1. อธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงานได้ • 2. อธิบายถึงประโยชน์ของพลังงานนิวเคลียร์ได้

4. 1. พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy)

5. 1. พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) • 1. องค์ประกอบของนิวเคลียส • 2. การเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์ • 3. รัศมีของนิวเคลียส • 4. ชนิดของนิวเครียส • 5. พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ • 6. เสถียรภาพของนิวเคลียส • 7. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ประดิษฐ์ • 8. ปฏิกิริยาฟิชชัน • 9. ปฏิกิริยาฟิวชัน • 10. การใช้พลังงานนิวเคลียร์

6. 1. องค์ประกอบของนิวเคลียส http://www.enchantedlearning.com/chemistry/glossary/nucleus.shtml

7. Sir James Chadwick • (b. Oct. 20, 1891, Manchester, Eng.--d. July 24, 1974, Cambridge, Cambridgeshire), • English physicist who received the Nobel Prize for Physics in 1935 • for the discovery of the neutron. http://www.britannica.com/nobel/micro/114_22.html

8. The Proton-Proton Chain,The Sun generates energy in its core by converting hydrogen to helium. http://zebu.uoregon.edu/~imamura/122/feb9/solarpp.html

9. http://zebu.uoregon.edu/~imamura/122/feb9/solarpp.html

10. http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html

11. The periodic table is labeled by its rows, which are called Periods, http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html

12. The columns of the Periodic Table are called Groups or Families, http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html

13. http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html

14. A molecule is depicted in various ways; here are a few: http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html

15. 2. การเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์ • การเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์. •  การเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์จะแตกต่างจากการเขียนปฏิกิริยาเคมี • การเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์มีขั้นตอน ดังนี้ • 1. เขียนธาตุ รังสีหรืออนุภาคที่เกี่ยวข้องที่เกี่ยวข้องในรูปสัญลักษณ์ • 2. ทำให้เลขอะตอมและเลขมวลทั้งสองข้างเท่ากัน • สัญลักษณ์ของธาตุทั่วไป คือ • เมื่อ • A คือ เลขมวล หมายถึง อนุภาคที่อยู่ภายในนิวเคลียส ซึ่งได้แก่โปรตอนและ นิวตรอน บางครั้งเรียกเลขมวลนี้ว่า นิวคลีออน • Z คือ เลขอะตอม หมายถึงจำนวนโปรตอนที่อยู่ภายในนิวเคลียส ธาตุแต่ละชนิดจะมีจำนวนโปรตอนต่างกัน ถ้ามีจำนวนเท่ากัน แสดงว่าเป็นธาตุชนิดเดียวกัน • X คือชื่อของธาตุนั้นๆ

16. คำจำกัดความ • Isotope คือ นิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน (หรือ Z เท่ากัน) • Isotone คือ นิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน (หรือ A-Z เท่ากัน) • Isobar คือ นิวเคลียสที่มีเลขมวลเท่ากัน (หรือ A เท่ากัน)

17. http://www.chem.ufl.edu/~itl/2045/lectures/lec_2.html

19. 3. รัศมีของนิวเคลียส • รัศมีของนิวเคลียส แปรผันตรงกับรากที่สามของเลขมวล เขียนสมการ ได้ดังนี้ • สูตร   รัศมีของนิวเคลียส R = r0 A1/3 • เมื่อ • r0  =   1.5 x 10-15 m • R =  รัศมีของนิวเคลียส • A = เลขมวล

20. 4. ชนิดของนิวเคลียส • เราอาจจำแนกนิวเคลียสได้ 2 ชนิด คือ • 1. นิวเคลียสเสถียร (stable nucleus) เป็นนิวเคลียสที่ไม่สลายตัว จะคงสภาพเดิมไว้ตลอดเวลา พบอยู่ตามธรรมชาติ • 2. นิวเคลียสไม่เสถียร (unstable nucleus) เป็นนิวเคลียสที่สลายตัว เราเรียกว่า นิวเคลียสกัมมันตรังสี

21. stable nucleus http://www.biochemj.org/bj/356/0297/bj3560297.htm

22. unstable nucleus http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

23. Blocking Radiation • Alpha particles are 8,000 times as heavy as beta particles. • Paper or clothing will blockalpha particles, while betaparticles require a few sheets of aluminum foil. • Gamma radiation is extremely dangerous--a thousand times more potent than xrays. http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

24. 5. พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ • พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ (nuclear binding energy : BE) คือ พลังงานที่ใช้ดึงดูดนิวคลีออนให้รวมอยู่ด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม Question 1 • If we were to completely convert 1 kg of oil into energy, how much energy would we obtain?The SolutionE = mc2  = 1 × (3 × 108)2  = 9 × 1016 J

25. (Nuclear binding energy = Δmc2) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html

26. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.htmlhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html

27. The Nuclear Binding Energy • The total energy required to break up a nucleus into its constituent protons and • neutrons can be calculated from , called nuclear binding energy. 

28. http://www.chem.latech.edu/~upali/chem281/281GRCc2.htm

29. Nuclear Forces http://www.chem.latech.edu/~upali/chem281/281GRCc2.htm

30. 6. เสถียรภาพของนิวเคลียส • เราพบว่ามีนิวเคลียสทั้งหมด 2,500 นิวเคลียส • มีนิวเคลียสเสถียรน้อยกว่า 300 นิวเคลียส • ที่เหลือเป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียรทั้งหมด • ซึ่งจะแผ่รังสี 3 ชนิด คือ • รังสีแอลฟา (α) • รังสีบีตา (β) • รังสีแกมมา (γ)

31. 6. เสถียรภาพของนิวเคลียส • เสถียรภาพของนิวเคลียส คือ การที่เลขอะตอมมากขึ้น จำนวนนิวตรอนจะมีมากกว่าจำนวนโปรตอน • เส้นกราฟจะเป็นเส้นโค้งเบนออกจากเส้นตรง เรียกว่า เส้นเสถียรภาพ (Stability line)

32. Stability line http://www.cyberphysics.pwp.blueyonder.co.uk/topics/physics/radioact/why.htm

33. กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนกับเลขมวลกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนกับเลขมวล http://universe-review.ca/option2.htm

34. The Nuclear Binding Energy http://www.world-mysteries.com/sci_9.htm

35. 7. ปฏิกิริยานิวเคลียร์ประดิษฐ์ • Ernest Rutherford • nitrogen nucleus + alfa particles = proton + oxygen nucleus http://www.nzedge.com/heroes/rutherford.html

36. Rutherford พบโปรตอน จากการยิงอนุภาคแอลฟา เข้าชนอะตอมไนโตรเจน และเกิดนิวเคลียสใหม่เป็นออกซิเจน http://www.nzedge.com/heroes/rutherford.html

37. Enrico Fermi (1901 - 1954) • Enrico Fermi (พ.ศ. 2444-2497) นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีมีความสนใจอนุภาคนิวตรอนเป็นอันมาก • ในปี พ.ศ. 2481 เขาได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานการค้นพบธาตุกัมมันตรังสีชนิดใหม่ โดยการยิงนิวตรอนไปยังยูเรเนียม • นอกจากนี้เค้ายังเป็นผู้ให้กำเนิดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ http://www.radiomarconi.com/marconi/marconi-einstein.html

38. การผลิตพลูโทเนียม ด้วยการใช้นิวตรอน ยิงนิวเคลียสยูเรเนียม http://www.lagreid.gs.hl.no/radioaktivitet/farar.htm

39. 8. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) • ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วน กับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา http://61.19.145.7/student/science401/chem/chem11/main5.html

40. Fission reaction http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

41. Fission reaction http://nasaexplores.com/show_912_student_st.php?id=021220141116

42. Albert Einstein and Mass-Energy Equivalence • Mass is energy : E = mc2 • Energy is mass :   m = E /c2 http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

43. The First Atomic Bomb : "Little Boy", two feet in diameter, ten feet long, 9000 pounds, dropped on Hiroshima, Japan, was a uranium bomb, equivalent to 20,000 tons of explosive. http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

44. Atomic Bomb Targets http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

45. Chain reaction:นิวตรอนที่เกิดจาก fission reaction ขึ้น 2-3 ตัวซึ่งมีพลังงานสูงจะวิ่งไปชนนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องไปเป็นลูกโซ่ ซึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ ซึ่งทำให้ได้พลังงานมหาศาล http://www.btinternet.com/~j.doyle/SR/Emc2/Fission.htm

46. 9. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fusion reaction) • ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fussion reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า • มีการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์ออกมา (พลังงานเกิดขึ้นจากมวลส่วนหนึ่งหายไป) • พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันมีค่ามากกว่าพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน เมื่อเปรียบเทียบจากมวลส่วนที่เข้าทำปฏิกิริยา • ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันในนาม ลูกระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) • พลังงานจากดวงอาทิตย์เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวหลอมรวมกันได้นิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคโพสิตรอน มีมวลส่วนหนึ่งหายไป มวลส่วนที่หายไปเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล

47. Fusion reaction http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html

48. Hot Fusion and Cold Fusion Reaction Paths Compared http://www.newenergytimes.com/Reports/FusionReactionPathsCompared.htm

49. fusion reaction http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=59

50. Fusion in Stars : 10 million degrees at the core causes fusion of hydrogen into helium. http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/physics17/chapter14/chapter14.html